LU82003A1 - Verfahren zum teilweisen oder vollstaendigen enzymatischen abbau eines niedermolekularen stoffes - Google Patents

Description

‘-Û r!r~r\—ÂRAND-DUCHÉ DE LUXEMBOURG D· 50.888 ' Brevet N°................U.......(/ Λ \ 18 décembre 1979 ynrShr* ™ .

du .................................................................... iiSJwe» Monsieur le Ministre ..... 55¾¾ de l’Économie Nationale et des Classes Moyennes

Titre delivre : ........................................ . .

Service de la Propriété Industrielle

LUXEMBOURG

Demande de Brevet d’invention I. Requête

Monsieur Franz ROINER, Inselweg 7, 3ol3 BARSINGHAUSEN 9, (1)

Allemagne Fédérale«.....représenté par Monsieur Jacques de Muyser...........

................................................................................................................................(2) dépose ce dix-huit décembre 19oo soixante-dix-neuf...................(3) à..........15........... ... heures, au Ministère de l’Économie Nationale et des Classes Moyennes, à Luxembourg : 1. la présente requête pour l’obtention d’un brevet d’invention concernant : “Verfahrenzum teilveisen oder vollständigen enzymatischen ^ ....... Abbau....e.iaes.....η1β.άβΓΐηο.1βΚη1.&ΓΒη....3λο.££©ΐ5."..»..........,_______________________________________________________________________________________ déclare, en assumant la responsabilité de cette déclaration, que l’(es) inventeur(s) est (sont) : ..voir.....autr.e....page...................................................... (5) 2. la délégation de pouvoir, datée de .................................. le 3. la description en langue ..ä.!.!.öM^ude..........................................de l’invention en deux exemplaires ; 4. /./.................... ..... planches de dessin, en deux exemplaires ; 5. la quittance des taxes versées au Bureau de l’Enregistrement à Luxembourg, le.......18.....décembre.....19.7.9........................................................*..............................................................................................................................................

revendique pour la susdite demande de brevet la priorité d’une (des) demande(s) de (6)...........Brevet.........................................................déposées en m Allemagne Fédérale__________________________________________________ * ie ...2.0.....d.é.c.emb.r.e.....l9..7..8.......(MLcu......E....2.8.....5.S.„.1.o.p..t.o-41).............................................................................................(8) au nom/fe..^posant............................................................................................. (9> élit domicile pour lui (elle) et, si désigné, pour son mandataire, à Luxembourg .......................................

..35.,.....bd......Royal.................................................................. (io) sollicite la délivrance d’un brevet d’invention pour l’objet décrit et représenté dans les annexes susmentionnées, — avec ajournement de cette délivrance à ........LL......................... ______mois.

Ä Le mandataire^........Ov.......f\.....fi - Π. Procès-verbal de Dépôt

La susdite demande de brevet d’invention a été déposée au Ministère de l’Économie Nationale et des Classes Moyennes, Service de la Propriété Industrielle à Luxembourg, en date du : 18 décembre 1979 »Pr. le Ministre iconomie Nationale et^des Classes Moyennes, c/' ‘—| _7 )_

* : : BEANSPRUCHUNG DER PRIORITÄT

» ____ — - — - - — — — • der Patent/Qb/i/. - Anmeldung D. 5ο.888

In : DER BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Vom: 2o. Dezember 1978 ΤλΛΛΧΰ

PATENTANMELDUNG

in

Luxemburg

Anmelder: Franz ROINER

Betr. : "Verfahren zum teilweisen oder vollständigen enzymatischen

Abbau eines niedermolekularen Stoffes".

/U

i Die Ëriiïidung boLriixt ein Verfuhren s\ra oder \oil- ständigen enzymatischen Abbau eines niedermolekularen Stoffes, . vio z.B. Lactosa, in einem wässrigen polydispersen System aus niedermolekularen und hochmolekularen Stoffen, wie z.B. Milch, Sauermilch, saure Sahne, Buttermilch, Molke, Permeat u.dgl. oder Mischungen derselben.

Ein polydisperses System mit V?as3ar als durchgehender Phase • und darin verteilten, mit mehr oder minder hohen Anteilen an hochmolekularen und niedermolekularen Stoffen ist Milch bzw. ein milchähnliches System. Einer der niedermolekularen Stoffe darin ist Lactose, ein Disaccharid, und zwar mit einem sehr hohen prozentualen Anteil im Vergleich zu den Anteilen der sonstigen dispergierten Stoffe. Lactosa in originärer Form hat eine verminderte Süßkraft und ist außerdem für viele Menschen unverträglich (Lactoaamalabsorption).

In der milchwirtschaftlichen Verfahrenstechnik sowie in den Verfahrenstechniken zur Herstellung von Lebensmitteln (Sauer-gemüse, Sauerteig, Fleischgarung usw.) sind nach dem Stand der Technik zwei grundsätzliche Verfahren zur Veränderung von Lactose bekannt, die in dem Aufsatz von H.Klosermeyer, E.Herlitz, R.H. Jürgens, E.H.Relmerdes und J.Thomaaow, Lactose-behandlung von Magermilch zur Herstellung lactosereduzierten Magermilchpul vers, in Kieler Milchwirtschaftlicher Forschungaberichte, 1978, Heft 3, S. 2955 ff beschrieben werden.

1. Fermentierung der Laxtose und Umwandlung in Milchsäure in einem vorwiegend homofermentativen Prozeß unter Verwendung von lactoaevergärenden milchsäur «bildenden Mikroorganismen. Die Mikroorganismen enthalten dabei die notwendigen Enzyme, ,1 /-Λ -2- % · * * 4 *· 2 ·* fermentieren dadurch den Milchzucker und wandeln die gebildeten Ferraentationsprodukte sofort in Milchsäure um.

Die Milchsäure ist somit ein Stoffwechselprodukt, 2. Fermentierung der Lactose durch gezielten Einsatz von Enzymen, die vorher in einem Spezialverfahren aus Mikro« Organismenkulturen isoliert wurden. Hierbei werden Mikroorganismen nicht mehr direkt verwendet und somit wird bei diesem Prozeß auch keine Milchsäure gebildet, sondern lediglich die Lactose gespalten.

Beide Verfahren besitzen wesentliche Hachteile.

Beiden gemeinsam ist der Machteil, daß die Umwandlungs-sovie Abbauprodukte der Lactose als zusätzliche disperse Stoffe im Ausgangssystem verbleiben. Im Falle der Verfahrenstechnik 1. bedeutet dies*

Mikroorganismen bekannter Spezies bzw. Mischkulturen werden mit dem Ausgangssystem, s.B. Milch, Sauermilch, Buttermilch, Molke, Permeat, Mischungen davon usw. intensiv vermengt und nach bekannten Verfahren kulturiert. Die Mikroorganismen verwenden die Lactose als Mährstoff, indem sie die Lactose mit Hilfe von Enzymen zunächst spalten, die Spaltprodukte aber sofort für die eigene Ernährung verwenden. Als Stoffwechselprodukt fällt schließlich Sänne an. Bei richtiger Verfahrensführung entsteht vorwiegend Milchsäure. Mittels geeigneter Meßmethoden kann dieser Vorgang verfolgt werden, d.h. der pH-Wert im Ausgangssystea sinkt von z.S. pH 6,5 bis pH 4,5 bzw. so weit ab, bis die Stoffwechselprodukte die Mikroorganismen selbst hemmen» Wenn diese Selbsthemmung eingetreten ist, dann ist in diesem Falle die Lactose im Ausgangssyatem teilweise, d.h. um etwa 1 % vermindert, dafür wurde aber im selben Verhältnis Milchsäure in das System eingebracht· fi\ -3- t 1 1

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« - 3 - £3 sind nun Verfahren bekannt, die Selbsthemmung der Mikroorganismen in dem geschilderten Prozeß zu verschieben und damit die Möglichkeit eines prozentual höheren Lactoseabbaus bsw. eines prozentual höheren Milchsäureanfalls zu erreichen. Immer aber sind alle Ausgangsstoffe und zusätzlich Milchsäure im System enthalten und werden bei anschließenden Konzentrationsprozessen mit aufkonzentriert. Wird dabei ein Trennverfahren, z.B. Ultrafiltration, dazwischengeschaltet, dann werden zwar die hochmolekularen Stoffe abgetrennt, die niedermolekularen Stoffe bleiben aber nach wie vor Im System und werden wiederum aufkonzentriert·

Wird diese Verfahrenstechnik in Milch angewendet, dann kann diese Überhaupt nicht mehr auf konzentriert werden, weil das Eiweiß wegen der gebildeten Milchsäure destabilisiert wird. Das System besteht in diesem Falle aus allen ursprünglich vorhandenen Inhaltsstoffen, wobei lediglich der Milchzuckeranteil geringfügig vermindert wurde, dafür aber der Anteil Säure erhöht wurde.

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Im Falle der Verfahrenstechnik 2. wird Milchzucker durch gezielten Einsatz von Enzympräparaten in Monosaccharide gespalten.

Ein bekanntes Verfahren besteht darin, daß das Enzym der Dispersion ohne Rückgewinnung zugesetzt wird. Dies hat aber den technologischen Nachteil, daß es teuer ist und z.B. bei Lebensmitteln ein unerwünschter Stoff eingebracht wird.

Ein zweites bekanntes Verfahren arbeitet mit gelösten Enzymen in einer Membrankammer, die von einem Ultrafiltrat der Dispersion durchströmt wird. Neben der aufwendigen Membran technologie sind weitere Nachteile darin zu sehen, daß die Membranen durch Ablagerungen der Inhaltsstoffe der Dispersion verstopfen und, da es nicht gelingt, unter sterilen Bedingungen zu arbeiten, die Membranfüllungen verderben.

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Ein drittes bekanntes Verfahren arbeitet jait immobilisier-ten Enzymen, die von einem Substrat durchströmt werden· Hierbei gelingt es nicht, genügend Aktivität auf den Träger zu fixieren· Auch weist die vorhandene Aktivität nur eine begrenzte Lebensdauer auf, da keine Abriebfestigkeit besteht. Auch der Versuch, Abriebfestigkeit durch Einbettung in das Innere poröser, schwammartiger Glaskugeln oder quellbarer Gele zu erreichen, führt zu keinem befriedigenden Erfolg, da hierbei die Gefahr der Selbsthemmung durch mangelnden Abtransport der Abbauprodukte besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zu verbessern und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das keine Selbsthemmung und keina Abnutzungserscheinungen der Enzyapräparate bzw. Mikroorganismenkulturen aufweist·

ErfindungsgemäS wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß A) den niedermolekularen Stoff abbauende Mikroorganismen in das wässrige polydisperse System eingemischt werden, daß die während der Verstoffwechselung des niedermolekularen Stoffes gebildeten Substanzen abgetrennt und die ln der Restlösung des polydispersen Systems verbleibenden Stoffe der Ausgangslösung ganz oder teilweise zugeführt werden oder B) den niedermolekularen Stoff abbauende Mikroorganismen und/oder Enzympräparate und das wässrige polydisperse System räumlich getrennt in Kontakt gebracht werden, daß die während der Verstoffwechselung des niedermolekularen Stoffes gebildeten Substanzen abgetrennt und die in der Restlösung des polydispersen Systems verbleibenden Stoffe der Ausgangslösung ganz oder teilweise * zugeführt werden.

-5- \ • » i - ‘ * - 5 - ! Weitere Merkmale der Erfindung sind in den ünteranspriichen gekennzeichnet.

IDie mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß keine Selbsthemmung und keine Abnutzungsvorgänge bei den Mikroorganismen bzw. den Enzympräparaten auf treten.

Da der vergorene Teil, z.B. das Lactat, bei einer Behandlung von Milch bzw. milchähnlichen Produkten laufend oder schrittweise aus dem Ausgangssystem entfernt wird, kann der pH-Wert der Milch auf den für die Mikroorganismenkultur bzw. Enzympräparate optimalen Bereich gehalten werden. Ferner ist es möglich, den Lactosegehalt des Ausgangsmediums bis 0 % abzusenken und dadurch ein für lebensmittel-technologische Zwecke völlig neuartiges Ausgangsprodukt zu erhalten. Auch ist es z.B. möglich, das Stoffwechselprodukt Milchsäure in reiner Form zu erhalten* Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß eine vollkommene Trennung zwischen der zu behandelnden Dispersion und dem Enzympräparat bzw. den Mikroorganismenkulturen erreicht werden kann. Durch Zugabe der von den Abbauprodukten befreiten Dispersion zu der Ausgangs-dispersion ist es möglich, stete im optimalen pH- bzw. SH-Bereich zu arbeiten. Auch ist es möglich, ein Konzentrationsverfahren dem Prozeß beizuschalten, so daß der Milchzuckergehalt im zu vergärenden Ausgangsmedium sehr lange im origi-nären Anteilsbereich belassen wird, was wiederum einen optimalen Vergärungsablauf Sichersteilt. Zudem ist es möglich, durch unterschiedlichen Druck in den Teilen, die die zu behandelnde Dispersion bzw. das Enzympräparat oder die Mikro-| Organismenkulturen enthalten, das Verfahren 2u steuern.

I ' Auch ist kein großer technologischer Aufwand nötig, da z.B.

im Handel übliche Rohre benutzt werden können, von denen 1 bekannt ist, daß ihre Wände für Moleküle bis zu einer be stimmten Größe durchlässig sind. Ein weiterer Vorteil ist darin 2u sehen, daß keine besonders präparierte Enzyme verwendet werden müssen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des Lactoseabbaus y/ an drei Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Als zuckerhaltiges wässriges polydisperse System soll Milch mit einem Fettgehalt von weniger als 0,1 % Fett dienen.

Der Ausgangsstoff wird auf Fermentationstemperatur, z.B.

44° C gebracht und als Fenaentationsmittel z.B. eine Langstäbchenkultur zugexaischt. Der Feriaentationsprozeß läuft an. Nach Erreichen eines für den Fermentationsprozeß geeigneten pH- bzw. SH-Wertes, z.B. 6,0 pH bzw. etwa 10 SH, wird das ' polydisperse System einem Trennverfahren, z.B. einer Ultra filtration unterworfen. Es entstehen zwei Teil ströme, nämlich der Ratentatstrom und der Permeatstrora. Das Retentât (eine Restlösung des wässrigen polydispersen Systems) wird sofort wieder in die Gärungsbehälter zurückgeleifcet, das Permeat (eine weitere Restlösung des wässrigen polydispersen Systems) wird z.B. einem Neutralisationsverfahren, z.B. einem lonen-austauschverfahren, unterzogen und nach dar Neutralisation der Ausgangsmilch wieder zugeführt. Der pH-Wert bzw. der SH-Wert kann im Falle dieses Verfahrensablaufes konstant gehalten werden, so daß der Fermentationsprozeß optimal ablaufen kann, solange, bis der gewünschte Teilentzuckerungs-grad b2W. eine Vollentzuckerung des Ausgangsmediums erreicht ist« «

Wird für den Neutralisationsvorgang ein Ionenaustausch verwendet, dann fällt bei der Regeneration des Ionenaustauschers das Fermentationsprodukt an, das zur Konzentrationserhöhung einem geeigneten Verfahren, z.B. einer Eindampfung unterzogen wird.

Beispiel 2

- ** · I......I l II

Molke mit einem Milehzuckargehalt von etwa 4,5 %, einem Salzgehalt von etwa 0,75 % und einem Eiweißgehalt von etwa 0,6 % wird in einem vollkontinuierlichen Prozeß entzückert.

Λ ï k si • * 'J , . ‘ “ 7 - »

Ein wärmeisolierendes Doppelrohr, dessen inneres Rohr für Milchzucker in Lösung in beiden Richtungen durchlässig ist, wird im Innenrohr, das für das Lactose spaltende Enzym undurchlässig ist, mit diesem beschickt· Im Außenrohr fließt Molke.

Der enzymatische Prozeß wird dadurch in Gang gesetzt, daß Lactose durch die Wand des Rohres in das Innenrohr eintritt und das Disaccharid in die entsprechenden Monosaccharide gespalten wird.

*

An geeigneter Stelle wird Molke aus dem AuSenrohr entnommen und der gespaltene Zucker durch z.B. Kristallisationsverfahren aus der Lösung entfernt. Es verbleibt eine Eiweifi-Salzlösung, die je nach Verwendungszweck weiterbehandelt werden kann.

Ebenso ist es denkbar, daß die Entsalzung der Molke während des enzymatischen Prozesses oder davor durch z.B. ein Dialyse verfahren vorgenommen wird, die entsalzte aber noch Zucker und Eiweiß enthaltende Lösung dem enzymatischen Prozeß zugeführt und dieser damit gesteuert wird.

Beispiel 3

Entzuckerung von Milch und Herstellung eines süßsauren Konzentrates.

Magermilch mit einem Milchzuckergehalt von etwa 4,8 %, einem ' Eiweißgehalt von etwa 3,4 % und einem Salzgehalt von etwa 0,8 % wird in einem Gärungsbehälter auf Reaktionstemperatur gebracht, ln den Gärungsbehälter wird ein für Lactoselösunger und Milchsäurelösungen durchlässiges Rohrmaterial eingebracht in dem sich das Fermentationsmittel {Mikroorganismen und Enzympräparat) befindet. Zwei Prozesse werden in Gang gesetzt h , f . · : - 8 - • r ' * « 1, Enzymatische Laetosaspaltung, 2. Fermentation, Mllehzuckerabbau zu Milchsäure.

Um einen möglichst schnellen Fermentationsvorgang 2u erreichen, werden zum einen die Fermentâtionsmittel sowie das polydisperse System in Bewegung gehalten, zum anderen " wird nach einer Anlauf période die im Fermentationsstadium sich befindende Magermilch in einem Teilstrom zum Entfernen von Protein beispielsweise einer Ultrafiltration unterworfen. Das Rötentat (1. Restlösung des wässrigen polydispersen Systems) wird dem Abbauprozes wieder zugeführt, das Permeat wird einem weiteren Trennverfahren unterzogen, z.B. einem Ionenaustausch. Dabei wird das Anion Milchsäure abgetrennt. Das von der Milchsäure abgetrennte Permeat (weitere Restlösung des wässrigen polydispersen Systems) wird sodann als iteutralisationsmittal dem Ferznentationsprozeß wieder zugeführt. Dieser Vorgang findet solange statt, bis der Ausgangs Zuckeranteil in gewisse Anteile Milchsäure und Monosaccharide abgebaut ist. Die Anteile hängen vom jeweiligen Verwendungszweck ab. Nach Abschluß des enzymatischen Abbaus liegen zwei Erzeugnisse vort 1* Eine vollentsuckerta oder teilentzuckerte konzentrierte Eiveißlösung, die zu weiteren Produkten verarbeitet «έ werden kann? 2. eine süßsaure entsalzte, konzentrierbare wässrige Lösung.

»

Claims (5)

1. Verfahren zun teilweise^ oder vollstSndigan enzymatischen Abbau eines niedermolekularen Stoffes, wie z.B. Lactose, in einem wässrigen polydispersen System aus niedermolekularen und hochmolekularen stoffen, wie z.B. Milch, Sauermilch, saure Sahne, Buttermilch, Molke, Permeat u.dgl. oder Mischungen derselben, dadurch gekennzeichnet, daB A) den niedermolekularen Stoff abbauende Mikroorganismen in das wässrige polydisperse System eingemi3cht werden, daß die während der Verstoffwechselung des niedermolekularen Stoffes gebildeten Substanzen abgetrennt und die in der Rastlösung des polydispersen Systems verbleibenden Stoffe der Ausgangalösung ganz oder teilweise zugeführt werden oder B) den niedermolekularen Stoff abbauende Mikroorganismen v und/oder Snzympräparate und das wässrige polydisperse System räumlich getrennt in Kontakt gebracht werden, daß die während der Verstoffwechselung des niedermolekularen Stoffes gebildeten Substanzen abgetrennt und die in der Restlösung des polydispersen Systems verbleibenden Stoffe der Ausgangslösung ganz oder teil- n weise zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wässrige polydisperse System und das Enzympräparat in geeigneter Waise zueinander strömen. f(r\ . -9- / -2- *

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildeten Substanzen kontinuierlich oder schrittweise aus dem polydispersen System entfernt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung der Substanzen nach Neutralisation oder Konzentrationsveränderung erfolgt. »

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wässrige polydisperse System in Abhängigkeit vom Abbau des niedermolekularen Stoffes konzentriert wird. m